高 山，孫超君，鄧社根 ，徐 榮

（1.江蘇省水利工程建設(shè)局，江蘇 南京 210029；2.江蘇省秦淮河水利工程管理處，江蘇 南京 210022；3.江蘇省工程勘測研究院有限責(zé)任公司，江蘇 揚(yáng)州 225000）

1 概況

1.1 工程概況

分淮入沂工程始建于20世紀(jì)50年代初，是淮河下游防洪工程體系的重要組成部分，洪澤湖排洪通道之一，亦是淮河和沂沭泗流域相互調(diào)度綜合利用的一項(xiàng)多功能工程[1]。工程自洪澤湖邊的二河閘起，沿線經(jīng)淮安市的清浦、淮安區(qū)和宿遷市的泗陽、沭陽縣，至沭陽西關(guān)與新沂河交匯處，全長97.5 km，設(shè)計(jì)行洪流量3000 m3/s。二河?xùn)|堤及淮沭河?xùn)|堤、接口段東西堤為1級堤防；二河西堤頭堡～淮陰閘段、淮沭河西堤為2級堤防。河道自南向北沿程穿越廢黃河、中運(yùn)河、總六塘河、柴米河，兩岸保護(hù)面積8600 km2，耕地45.87萬hm2，人口538萬。

根據(jù)歷次地質(zhì)勘察資料，分淮入沂沿線堤防碼頭鎮(zhèn)～淮陰閘段堤身堆土為弱透水性，淮陰閘～沭陽閘東西堤防大部分堤段的堤身堆筑較差，滲漏嚴(yán)重，為中等透水性，局部堤段甚至達(dá)到強(qiáng)透水性[2]。2013年在對迎水坡堤腳進(jìn)行防滲墻施工時(shí)發(fā)現(xiàn)局部地段在開挖回填壓實(shí)后發(fā)現(xiàn)原挖開的土量不足，說明這些地段原來填土層結(jié)構(gòu)整體較為松散，密實(shí)度不夠。2015年對堤防進(jìn)行現(xiàn)場探查，發(fā)現(xiàn)堤防沿線存在一些空洞，主要位于淮沭河?xùn)|堤47+000～51+000，洞口直徑0.1～0.4 m，深度0.3～0.8 m，推測主要為動(dòng)物的洞穴，另外沿線堤頂防汛道路凹凸不平、損壞嚴(yán)重，除年久失修外，亦與堤身堆土不密實(shí)、不均勻沉陷有關(guān)[3]。

1.2 探測難點(diǎn)

千里之堤潰于蟻穴。根據(jù)綜合地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，分淮入沂堤防隱患和松散體基本上分布在水位面以上的堤壩迎水面填筑層中，這些問題的存在會(huì)導(dǎo)致淮沭河堤防極易發(fā)生流土、管涌、坍塌等破壞，洪汛峰期有可能造成潰堤等重大安全問題。因此，2012年經(jīng)國家發(fā)展與改革委員會(huì)批準(zhǔn)，對淮沭河沿線，特別是對堤身達(dá)到中等透水性及以上的淮陰閘～沭陽閘東西堤防可能導(dǎo)致地質(zhì)病害的堤防隱患進(jìn)行探測，掌握堤防質(zhì)量狀況，并進(jìn)行必要的加固處理，保證堤防安全。但由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性及工程的隱蔽性，堤防隱患探測比較困難，且分淮入沂堤防地質(zhì)條件復(fù)雜，堤身土以砂性土為主，間斷分布軟弱粘性土，土質(zhì)結(jié)構(gòu)松散；堤身內(nèi)部存在較多隱患，隱患大小不一，隱患位置分布不規(guī)律；正常河水位較低，地下水位較低，而在應(yīng)急行洪時(shí)河水位較高；堤防全線長度較長，堤身內(nèi)存在垂直鋪膜等防滲體系，探測時(shí)干擾源較多。如何快速、準(zhǔn)確的探測堤防工程存在的隱患問題，是一個(gè)難題。鑒于此情況，針對工程實(shí)際情況，研究提出了一套經(jīng)濟(jì)實(shí)用、高效準(zhǔn)確的復(fù)雜堤防隱患綜合物探技術(shù)，并對全線進(jìn)行探測。

2 探測技術(shù)研究

目前，堤防隱患的探測方法主要有地質(zhì)鉆探、人工探視和地球物理勘探3種。前2種方法具有局限性，且對堤防有破壞，成本高，既費(fèi)力且效果有限，不能滿足快捷、準(zhǔn)確和無損等要求，難以適應(yīng)于較大堤防工程的探測[4]。常用的地球物理勘探技術(shù)有多種，如探地雷達(dá)法、地震反射波法、高密度地震映像法、瑞雷面波法、大地電導(dǎo)率法、高密度電阻率法等[5]。在復(fù)雜堤防隱患探測中，每種物探方法都有各自的適用性及其優(yōu)缺點(diǎn)，且采用單一物探方法探測對堤防隱患的判別有可能形成多解，很難做出準(zhǔn)確的判斷。本工程在全線堤防隱患探測工作開展之前，以淮沭河西堤15+440～16+440為試驗(yàn)段，采用各種物探方法分別進(jìn)行隱患探測并對比分析探測成果，通過對比研究，尋找出一套經(jīng)濟(jì)實(shí)用、高效準(zhǔn)確的針對分淮入沂松散復(fù)雜堤防的隱患綜合物探技術(shù)。

2.1 探測布置

在堤頂路面兩側(cè)各布置一條順堤方向的測線，每條測線長度1000 m，如圖1所示，分別采用了探地雷達(dá)法、地震反射波法、瑞雷面波法、高密度地震映像法和大地電導(dǎo)率法5種物探方法沿布置的測線對堤防進(jìn)行隱患探測，并對比分析探測成果。

2.2 探測過程

選取試驗(yàn)段右測線16+140～16+340段堤防分別就上述5種探測技術(shù)的實(shí)施方法和應(yīng)用成果進(jìn)行對比驗(yàn)證研究，見圖2。

2.2.1 探地雷達(dá)法

對試驗(yàn)段堤防采用探地雷達(dá)法進(jìn)行全線布查，分別沿堤頂迎水坡側(cè)（右測線）和背水坡側(cè)（左測線）2條測線進(jìn)行。外業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用美國超強(qiáng)地面耦合系統(tǒng)（SIR-20），觀測方式為沿測線連續(xù)測量，天線移動(dòng)速率約0.4 m/s。為消除天線探查速度不均對測量位置的影響，天線沿剖面每隔5 m按動(dòng)標(biāo)記開關(guān)，以便準(zhǔn)確控制探查剖面位置。掃描數(shù)、采樣頻率、記錄長度等技術(shù)參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)取得。

探測結(jié)果表明，探地雷達(dá)法探測水平和橫向分辨率均較高，深度能夠滿足復(fù)雜堤防隱患探測的要求，能較準(zhǔn)確對堤防結(jié)構(gòu)層進(jìn)行劃分，特別是對人工填土層內(nèi)出現(xiàn)的富水、裂縫、軟弱、松散和空洞異常有良好的探測效果，根據(jù)雷達(dá)反射波的波形顯示特征，能探測到土體異常點(diǎn)。

2.2.2 地震反射波法

在試驗(yàn)段堤防采用地震反射波法進(jìn)行隱患探測，采用多次覆蓋技術(shù)，地震儀采用美國Geometrics公司生產(chǎn)的StratiVisor NZ-XP型數(shù)字地震儀；震源采用24磅大錘錘擊鐵板方式，接收采用28 Hz橫波檢波器；采用技術(shù)參數(shù)為道間距1 m，排列長度24 m，炮間距3 m，偏移距12 m，采樣率1 ms，記錄長度512 ms。

探測結(jié)果表明，地震反射波法對復(fù)雜堤防的主要結(jié)構(gòu)層的探測效果較好，能清晰的反映出堤防填土層和自然沉積層的分層界面，以及自然沉積層內(nèi)的不同物性地層的分層界面。

2.2.3 高密度地震映像法

在試驗(yàn)段堤防采用高密度地震映像法進(jìn)行隱患探測，采用美國Geometrics公司生產(chǎn)的StratiVisor NZ-XP型數(shù)字地震儀，震源采用24磅大錘錘擊鐵板方式，接收采用28 Hz縱波檢波器。觀測采用小偏移距單道接收技術(shù)，布設(shè)觀測點(diǎn)間距為1 m，炮檢偏移距4.0 m，錘擊震源，采樣時(shí)間2 ms，數(shù)據(jù)采集時(shí)采用全通模式。

探測結(jié)果表明，高密度地震映像法對堤防隱患探測有一定的效果，能探測出隱患的平面位置，特別是大范圍的地層沉降或松散，探測效果比較明顯。

2.2.4 瑞雷面波法

在試驗(yàn)段堤防采用瑞雷面波法進(jìn)行隱患探測，采用美國Geometrics公司生產(chǎn)的StratiVisor Geode型數(shù)字地震儀，震源采用24磅大錘錘擊方式；接收采用2 Hz面波檢波器。外業(yè)觀測采用瞬態(tài)多道面波檢測技術(shù)，單邊錘擊排列觀測裝置，每個(gè)排列24道接收，道間距的選擇原則：2/3λR＜道間距＜λR，檢波器選用頻率由探查深度式：H=VR/2f估算，控制探測深度不大于20 m。

探測結(jié)果表明，瑞雷面波法對地層結(jié)構(gòu)的劃分和堤防隱患的探測均具有較好的效果，探測深度較深、不受地下水位影響，能獲取地層的剪切波速度等物性參數(shù)。

2.2.5 大地電導(dǎo)率法

在試驗(yàn)段堤防采用大地電導(dǎo)率法進(jìn)行隱患探測，采用加拿大生產(chǎn)的EM-34電導(dǎo)率儀，數(shù)據(jù)采集采用6.4 Hz工作頻率，分別用垂直偶極和水平偶極進(jìn)行探測。采用垂直偶極探查方式時(shí)，線圈間距為10 m，工作頻率為6.4 Hz，探查深度為15 m；采用水平偶極探查方式時(shí)，線圈間距為10 m，工作頻率為6.4 Hz，探查深度為7.5 m。

探測結(jié)果表明，大地電導(dǎo)率法對富水區(qū)域探測效果明顯，隱患含水量與周圍介質(zhì)相當(dāng)時(shí)，探測效果不明顯。

2.3 探測成果分析

圖2為試驗(yàn)段堤防5種探測方法探測成果對比圖。由圖可知，試驗(yàn)段右測線16+140～16+340段堤防內(nèi)隱患的中心位置主要位于16+170 16+210和16+260附近。其中，中心位置16+210的隱患相對于其他2個(gè)位置的隱患發(fā)育規(guī)模較小。

圖2 試驗(yàn)段堤防5種探測方法探測成果對比圖

探地雷達(dá)圖像對這3個(gè)隱患均有明顯異常反映，不僅能反映隱患的性質(zhì)，還能基本反映隱患的位置、埋深和范圍。地震反射波剖面圖中16+170和16+260這2個(gè)位置的隱患有明顯反映，表現(xiàn)為同相軸拱起，拱頂位置為松散體位置，但對16+210位置的隱患反映不明顯。在高密度地震映像剖面圖中這3個(gè)位置的隱患反映均明顯，表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)層同相軸的下凹，波相和頻率改變，下部結(jié)構(gòu)層同相軸拱起。在瑞雷面波剖面圖中這3個(gè)位置的隱患均反映明顯，表現(xiàn)為紅色的低波速區(qū)。在大地電導(dǎo)率成果曲線圖中16+170和16+210這2個(gè)位置的隱患有明顯反映，表現(xiàn)為異常低阻區(qū)，表明該段土體富水，但是對16+260位置的隱患反映不明顯，可能是因?yàn)樵撐恢玫暮瘦^低，產(chǎn)生的二次場很弱。

通過對以上5種物探方法探測成果的分析，發(fā)現(xiàn)所探測到的堤防隱患主要是在人工填土B層（砂壤土）中。通過對比分析可以看出，探地雷達(dá)法共探測到29個(gè)異常段，基本涵蓋了高密度地震映像法探測到的17個(gè)異常段和瑞雷面波法探測到的19個(gè)異常段部位。

2.4 各種探測技術(shù)適用性分析

試驗(yàn)段探測異常段如圖3所示，通過對比分析研究，得到以下結(jié)論：

（1）探地雷達(dá)探測的效果更好，其普查發(fā)現(xiàn)的27個(gè)異常段基本涵蓋了其它2種物探方法所發(fā)現(xiàn)的異常體，反映的地層結(jié)構(gòu)信息和土體異常更準(zhǔn)確，不僅能反映出土體異常的性質(zhì)，而且能對異常的形態(tài)和規(guī)模進(jìn)行量化，具有快速、簡便、無損、準(zhǔn)確等探測優(yōu)點(diǎn)[6]，滿足本次堤防探測的工作要求。

（2）地震反射波法探測深度較大，對劃分大深度的地層結(jié)構(gòu)有良好的探測效果，但不能對堤防人工填土層中存在的富水、松散、空洞等有效探測，不滿足本次堤防探測的工作精度。

（3）高密度地震映像對地層結(jié)構(gòu)、土體松散異常有明顯的探測效果，但是該方法只能探測到隱患的平面位置，不能夠確定隱患的埋藏深度，且使用該方法時(shí)，作業(yè)環(huán)境及人為干擾因素較大，其探測結(jié)果不能達(dá)到普查的期望效果。

（4）瑞雷面波法對地層結(jié)構(gòu)的劃分和堤防隱患的探測均具有較好的效果，探測深度較深，且不受地下水位影響，適合于對地層的精細(xì)劃分，獲取地層的剪切波速度等物性參數(shù)，但該方法野外工作量很大，探查時(shí)間長，不宜全線使用。

（5）大地電導(dǎo)率法僅對富水區(qū)有探測效果，對含水率較低的隱患探測效果較差，不滿足本次堤防探測的工作要求。

4 驗(yàn)證

圖3 試驗(yàn)段探測異常段平面分布圖

在探測發(fā)現(xiàn)的異常部位中，選取右測線12個(gè)和左測線6個(gè)異常特征明顯的疑似空洞體的部位進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證方法主要采用靜力觸探試驗(yàn)，并結(jié)合鉆孔取土、土工試驗(yàn)和注水試驗(yàn)進(jìn)行綜合驗(yàn)證。

4.1 靜力觸探試驗(yàn)

用靜力觸探試驗(yàn)對探測發(fā)現(xiàn)的異常部位進(jìn)行驗(yàn)證，具體驗(yàn)證布置情況及驗(yàn)證結(jié)果如表1所示。

4.2 鉆孔取土

在試驗(yàn)段右測線15+528異常處布置1個(gè)鉆孔取土，鉆探結(jié)果與物探成果一致。

表1 靜力觸探及鉆孔取樣驗(yàn)證結(jié)果表

4.3 鉆孔注水試驗(yàn)

在試驗(yàn)段右測線布置2個(gè)鉆孔進(jìn)行注水試驗(yàn)，J1位于試驗(yàn)段右測線15+528有隱患部位，J2位于試驗(yàn)段右測線16+292無隱患部位，驗(yàn)證結(jié)果見表2。對比鉆孔J1和J2通過注水試驗(yàn)所測出的土層滲透系數(shù)，發(fā)現(xiàn)J1的滲透系數(shù)明顯比J2要大的多，因此判斷J1的注水試驗(yàn)試段內(nèi)的土層較松散，與物探成果一致。

4.4 土工試驗(yàn)

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-2013）第7.2.4條規(guī)定“2級和堤身高度不低于6 m的3級堤防壓實(shí)度值不應(yīng)小于0.93”。本次試驗(yàn)段位于淮沭河西堤，屬于2級堤防。進(jìn)行室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)，成果如表3所示。測得試驗(yàn)段內(nèi)B層的最大干密度為1.64 g/cm3，則控制干密度為1.53 g/cm3。

對J1、J2鉆孔土樣進(jìn)行土工試驗(yàn)。J1鉆孔的2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)土樣均屬于B層，對應(yīng)的干密度為1.35 g/cm3、1.39 g/cm3和 1.34 g/cm3，均小于B層土的控制干密度1.53 g/cm3；J2鉆孔的2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)土樣也均屬于B層，對應(yīng)的干密度為 1.53 g/cm3、1.56 g/cm3和 1.55 g/cm3，均大于或等于B層土的控制干密度1.53 g/cm3。通過以上比較發(fā)現(xiàn)J1鉆孔位置的B層填土土質(zhì)松散，為松散體，與物探成果一致。

4.5 驗(yàn)證結(jié)論

通過對18個(gè)異常部位的驗(yàn)證，其中有16個(gè)孔與物探成果一致，正確率達(dá)到88.89%，證明本次物探探測成果準(zhǔn)確可靠。探地雷達(dá)法、高密度地震映像法和瑞雷面波法對隱患部位都有明顯的異常反映，由此說明在詳查中使用探地雷達(dá)法、高密度地震映像法、瑞雷面波法三者的對應(yīng)關(guān)系來確定異常區(qū)域是非常有效的。

表2 鉆孔注水試驗(yàn)成果表

表3 擊實(shí)試驗(yàn)成果表

5 結(jié)論

（1）探地雷達(dá)法可作為本次堤防隱患探測的主要物探方法，可用于堤防隱患的普查，其探測效果好，反映的地層結(jié)構(gòu)信息和土體異常更準(zhǔn)確，不僅能反映出土體異常的性質(zhì)，而且能對異常的形態(tài)和規(guī)模進(jìn)行量化[7]，且相對于其他探測方法，收費(fèi)便宜，是最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的堤防隱患探測普查手段。

（2）高密度地震映像法和瑞雷面波法可作為本次堤防隱患探測的輔助物探方法。高密度地震映像法對地層結(jié)構(gòu)、土體松散異常有明顯的探測效果，但是該方法只能探測到隱患的平面位置，不能夠確定隱患的埋藏深度，只能作為輔助手段；瑞雷面波法對地層結(jié)構(gòu)的劃分和堤防隱患的探測均具有較好的效果，探測深度較深，且不受地下水位影響，適合于對地層的精細(xì)劃分，獲取地層的剪切波速度等物性參數(shù)，但該方法野外工作量很大，探查時(shí)間長，且收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)高，若全線使用的話費(fèi)用太高，可作為輔助物探方法對探測到的土體異常部位進(jìn)行詳測佐證。

（3）地震反射波法和大地電導(dǎo)率法不適用于本工程堤防隱患探測。地震反射波法探測深度較大，對劃分大深度的地層結(jié)構(gòu)有良好的探測效果，但不能對堤防人工填土層中存在的富水、松散、空洞等有效探測，不滿足探測工作的精度要求；大地電導(dǎo)率法僅對富水區(qū)有探測效果，對含水率較低的隱患探測效果較差，具有較大的局限性，不予采用。

（4）可采用靜力觸探試驗(yàn)結(jié)合鉆孔取土、土工試驗(yàn)和注水試驗(yàn)對探測異常部位進(jìn)行綜合驗(yàn)證，進(jìn)一步確保探測成果的準(zhǔn)確性，提高物探成果的可靠性和實(shí)用性。

（5）對比分析5種物探方法的適用性、經(jīng)濟(jì)性及其優(yōu)缺點(diǎn)，本工程總結(jié)提出“以探地雷達(dá)法普查，以瑞雷面波法或高密度地震映像法對普查發(fā)現(xiàn)的異常區(qū)域詳查，并對擬處理的部位用靜力觸探法或鉆孔取樣法驗(yàn)證”的綜合性探測技術(shù)。該方法可廣泛應(yīng)用于復(fù)雜堤防隱患探測工作中，尤其當(dāng)?shù)谭篱L度較長時(shí)，該方法具有經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確、快速、簡便、無損等優(yōu)點(diǎn)，可快速有效的探測出土質(zhì)堤壩和堤基在深部的狀況和隱患的位置、深度、寬度情況等重要信息。

6 結(jié)語

通過各種方法的應(yīng)用比較，本工程發(fā)現(xiàn)各種物探方法在解決不同問題的能力及優(yōu)勢[8]，根據(jù)探測任務(wù)的具體情況，取長補(bǔ)短，創(chuàng)新性提出了一套“以探地雷達(dá)法普查，以瑞雷面波法或高密度地震映像法詳查，并用靜力觸探法或鉆孔取樣法驗(yàn)證”的綜合探測技術(shù)，適用于分淮入沂等松散復(fù)雜堤防隱患的探測，且已成功應(yīng)用于分淮入沂全線97.5 km堤防探測，為工程全線探測作業(yè)提供了指導(dǎo)性成果，也為保證探測成果的可靠性奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。該成果既能發(fā)揮各種物探方法的優(yōu)勢，又可利用各種方法做進(jìn)一步的互相驗(yàn)證，提高了物探成果的可靠性和實(shí)用性，取得了良好的應(yīng)用效果，不僅為后續(xù)確定堤防隱患處理加固方案提供了科學(xué)的依據(jù)和支撐，且為松散復(fù)雜堤防隱患探測提供一套準(zhǔn)確、高效的物探方法和思路，為以后類似工程提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

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